【精选】散射式能见度测量仪

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1、散射式能见度测量仪能见度的定义能见度(Visibility)是首先为了气象目的而定义的通过人工观测者定量估计的量， 以这种方式进行的观测现正广泛地采用。然而，能见度的估计受许多主观的和物理的因素的影响；基本的气象量，即大气透明度，可以客观地测量，并用气象光学视程(MOR)表示。气象光学视程(Meteorological oDtical range)是指由白炽灯发出的色温为2700K的平行光束的光通量在大气中削弱至初始值的5所通过的路径长度。消光系数(Extinction coeficient)(符号： )是色温为2700K的自炽光源发出的平行光束经过大气中单位距离的路径损失的那部分光通量。该系

2、数是对由于吸收和散射造成的衰减的测量。对比阈值(Contrast threshold)(符号：)是人眼能察觉的最小亮度对比，例如，允许目标物从背景中消失的值，对比阈值随各人而异。国内外发展现状伴随着光电子技术的不断提高,越来越多的国外公司推出精度高,测量范围广的前向散射式能见度测量仪: 例如美国 BELFORT 公司生产的商业化的 Model 6000 Visibility Sensor 能见度测量仪, 被广泛的应用在高速公路, 机场港口用于能见度的监控;芬兰的 VAISALA 公司制造的FD12P 能见度仪对能见度的测量范围是 10-50000m,其不光用于机场,高速公路也常被用于常规气象观

3、测对雾的领域,而且此品牌的能见度仪也在我国多个地区被广泛使用；加拿大的PEP 公司研制的 PEP00012 能见度仪等。国外的公司产品往往价格非常昂贵，如芬兰 Vaisala 公司的 PWD2 型低功耗能见度仪，采用散射原理测量气象能见度值，反射光波为 875nm 近红外光，每台售价都在 10 万人民币左右。国内的相关科研人员也加强了对国外先进产品的分析,如广州热带海洋研究所对美国Belfort 仪器公司所生产的 Model 6000 型前向散射能见度仪的分析,其重点分析了该能见度测量仪提高信噪比的机理以及测量误差的来源;南京大学气象学院与山东地方气象局的相关工作人员对芬兰 Vaisala 公

4、司所生产的 PWD22 前向散射型能见度仪的研究,对前向散射式能见度仪的安装与维护以及串口通讯都做了分析;北京奥克希尔公司的研究员马远对英国 Biral公司的 HSS 能见度/天气气象仪的原理以及设计思路和测量方法都给出了详实的描述。国内也有多个厂家对能见度测量设备进行生产,如长春气象研究所和洛阳卓航测控设备有限公司,锦州阳光科技发展有限公司等单位都开发出了相应的透射式和散射式能见度测量仪。其中以洛阳凯迈公司为主导,其生产制造的能见度测量仪己在全国多个城市得到推广并使用。下表列出国内外部分能见度测量仪生产厂家及其生产的能加度测量仪型号及相关参数:国家 公司厂家 仪器型号名称 测量原理测量范围/

5、m测量误差基线长或散射角/取样空间工作环境Vaisala 公司 LT31 透射表 消光 10-10000 10% 30,50m,75m-40 +600100%RH芬兰PWD10,PWD20，PWD20w前向散射10-200010-2000010%(10 km) 15%(20 km)45 -40 +600100%RHSkopograph II 消光 10-3000 15-75mImpulsphysik公司Videograp 后向散射50-3000德国AEG 公司 AEG/DFVLR 散射仪前向散射50-40000 5% 10-20/780cm3Belfort 公司 Model6000 前向散射6

6、-80000 10% 420 -40 +600100%RH8330 透射表 消光 10-3000 10m 75m 150m-30+50CNovalynx 公司400-SVS1 警卫 前向散射30-16000 土 10% 420 -40 +600100%RH美国EG&G 公司 207 前向散射仪 前向散射60-6100 5% 20-50-30+50C英国 Biral 公司 HSSVPF-73 前向散射10-75000 2%(2km)350 左右 -50+60CCJY-IC 型前向散射能见度仪前向散射10-10000 20% 350 左右 -45 +500100%RH洛阳凯迈测控有限公司CJY-2

7、B 型前向散射能见度仪前向散射5-5000 10% 450 左右 -45 +500100%RH中国长春气象仪器研究所TS 能加度仪 消光 100-3000 1% 50m 75m 150m-45 +500100%RH综上所述,可以预见随着光电技术的不断发展, 能见度测量伩有着很大的改进空间。散射式能见度测量仪的工作原理仪器的发射端发出光辐射对于临近的采样空间中的大气进行照射,大气样本中的气溶胶对照射的粒子产生散射,其散射光强的大小与粒子浓度及其尺度相关,而粒子浓度与与其尺度又能客观的反应大气能见度。散射式能见度测量仪通过测量特定角度上的散射光强,并根据其与总散射量之间的关系确定总散射系数,因为光

8、在短距离的气溶胶中传播,气溶胶对其的吸收系数是可以忽略不计的,所以利用总散射系数就可以求得能见度。前向散射式能见度仪工作原理：其发射器以红外LED作为光源，通过透镜、经脉冲调制后光源照射到采样空间，采样空间内的气溶胶粒子对光产生散射，散射量大小与气溶胶粒子的尺寸、浓度相关，气溶胶粒子的尺寸、浓度又与大气能见度相关。散射光经滤光片滤出、接收器探测到前向散射信号，并根据一定角度上的散射信号与总散射量的关系确定总散射系数，由CPU通过专门算法转化为能见度值。其具有如下优点:镜头污染对于测量效果的影响较小;探测范围广; 结构紧凑, 易于调整等。当然由于其也有一些先天的不足,比如因为采样体积不大, 所以

9、对于一定范围内能见度的测量可能会出现以点代面的问题;由于是用一定角度方向上的散射系数进行比例放大后代替总的散射系数,故在应用时会引入相对的误差。能见度测量仪优缺点比较前向散射式 结构紧凑,体积小, 方便安装与维护,测量范围广,光学镜采样体积小,需对大气做出均勾的假设,光辐射强度与散射头的污染对于测量所造成的误差较小系数的比例关系的引入也会带来想对应的误差,测量精度较之透射型比较低后向散射式 解决了前向散射能见度测量仪采样体积小的缺点设备体积增大,对于发射和接受端的设备要求增大HW-N1型能见度仪机械结构设计一套完整能见度仪系统主要由机械结构、光学系统、硬件、软件程序等构成。HW-N1型能见度仪

10、机械结构主要包括：能见度传感器、太阳能板、立杆、蓄电池等(如图1所示)。能见度传感器作为大气能见度仪主要的部件之一，它由发射器、接收器、横臂支架等组成(如图2所示)。能见度传感器横臂支架、斜块均选用5A05航空铝材，经机械加工、铝钎焊焊接而成。横臂支架是保证发射器、接收器相互位置及角度的基础。分别通过发射器、接收器的端盖与焊接式横臂支架上斜块装配定位后形成一套完整能见度传感器。按照光学系统设计要求、保证图2所示仅1=2、等参数是关键。选用厚度6ram镀锌钢板焊接成蓄电池盒作为底座，底座再与直径为89mm镀锌钢管焊接，制成能见度仪立杆，并对其表面进行热浸锌、喷塑工艺处理。立杆具有耐腐蚀、美观的特

11、点。太阳能板、蓄电池、光伏控制器组成了太阳能供电系统，该系统可保证连续两周阴雨天情况下、设备正常供电。光学系统HW-N1型前向散射能见度仪属于光电测量仪器，其构造离不开光学系统。光学系统设计任务包括：确定工作角度、发射器光路设计与接收器光路设计(如图3)。接收器光轴与发射器光轴相交的锐角0为其工作角度。选择工作角度原则是方向散射量较大、以保证测量信号足够大、信噪比足够高，同时，应避免发射器的辐射光束直接射入接收器。实践证明，在向前方向3O。一50。散射角域内，具有更强散射光、且角散射系数与总散射系数的比例因子更加稳定。基于上述原则，系统选用35。工作角度。发射器光路系统由光源、透镜组成。系统选

12、用880nm红外发光二极管作为光源，透镜我们选取火石光学玻璃并将透镜的表面加镀增透薄膜。透镜作用是将红外发光二极管发出的红外光束的发散角压窄，使发射光束能量体积密度增加。加镀增透薄膜可减少透射光能的发射损失，提高工作光谱带的透过率。接收器光路系统由探测光电管、透镜、滤光片组成。探测光电管作用是探测被发射器发射、大气散射的部分红外光脉冲，输出与这部分红外光脉冲成正比的模拟电源信号。系统选用离子着色选择性吸收玻璃为滤光片。参考文献：前向散射能见度仪研制 张世松 张月亮(安徽蓝盾光电子股份有限公司，安徽 铜陵 244000)Belfort Model 6000能见度仪工作原理前向散射能见度仪的发射器

13、与接收器在成一定角度和一定距离的两处。接收器不能接收到发射器直接发射和后向散射的光，而只能接收大气的前向散射光。通过测量散射光强度，可以得出散射系数，从而估算出消光系数。前向散射能见度仪光学原理见图1。美国Belfort仪器公司生产的Model 6000型前向散射能见度仪，是连续测量能见度的全自动仪器，它由发送器、接收器、采集器构成，结构示意图见图2。该观测仪器的传感器是利用前向散射测量原理，见图3。通过对测量一小空气体积对42。红外光的前向散射强度，来评估气象光学范围能见度。因大气中光的衰减是由散射和吸收引起的，在一般情况下，吸收因子可以忽略，而经由水滴反射，折射或衍射产生的散射现象构成降低

14、能见度的因子。故消光系数可认为和散射系数相等。从而，通过测量散射系数可用于估计MOR。参考文献：Belfort Model 6000能见度仪工作原理与使用方法 甘桂华，张小荣 (揭西县气象局)CJY-2B型前向散射能见度仪传统前向散射式能见度测量仪的机械结构：图3.2是常见的前向散射式能见度测量仪的基本机械结构原理图,从图中可以了解到,传统的前向散射式能见度测量仪由以下三个部分组成,分别是:发射端,接受端,以及控制单元。各自的连接是通过机械立柱,釆样空间为接收端与发射端之间相隔的大气。由上图可以看出传统的结构在个单元的组装上是比较复杂的,因为发射端与接受端分别为独立模块,所以在安装的时候需要对

15、其进行空间对准,即发射光源与散射点所组成的空间与接受端与散射点所组成的空间相交,但是由于此种发射与接受端的距离一般在一米左右,所以对于空间对准操作起来相对来说比较复杂。此外由于接受端与发射端均暴露在露天之下。虽然在两端口前加上了一段防护长管,但是由于背景光相对于散射光非常强,还是会存在非常大的干扰光,而且由于无法做到完全的密闭,对于保护长管的上端会受到阳光的直接照射,这样又会出现难以隔绝的干扰光强。对于小信号提取装置来说,背景光的干扰会大大增加后期提取信号的复杂度,也会给电路设计产生不便。以国产前向散射式能见度仪的实体结构为例,CJY-2B是由国内某测控有限公司推出的一款继传统机械结构能见度仪后新开发的一种前向散射能见度仪,该仪器被装配于船舶、高速公路等交通运输部门。从图中可以发现,该国产前向散射式能见度仪改进了原先分立安装的结构,将接受端与发射端安装在一个固定的卡槽内,减小了两端的距离,并在与接收端相对的一边制造了一个圆形挡板,该挡板可以用来阻止非散射光直接与接收端相互接触,并在保护长管的顶端安装了遮阳挡板,这样一来可以使得之前可能由于保护长管的密闭不严的问题得以解决。但是发射端与接收端还是暴露在大气光强之中,虽然由于上面的改进对背景光所产生的噪声有一定消除,但是由于发光二极管功率有限,加之背景光强相对于前向散射光强仍然很强,所以仍然需要设计复杂的电路对于信号提取与处理。